3. GDB的實現
GDB是GNU發布的一個強大的程序調試工具，用以調試C/C++程序。可以使程序員在程序運行的時候觀察程序在內存/寄存器中的使用情況。它的實現也是基于ptrace系統調用來完成的。
其
原理是利用ptrace系統調用，在被調試程序和gdb之間建立跟蹤關系。然后所有發送給被調試程序的信號(除SIGKILL)都會被gdb截獲，gdb
根據截獲的信號，查看被調試程序相應的內存地址，并控制被調試的程序繼續運行。GDB常用的使用方法有斷點設置和單步跟蹤，接下來我們來分析一下他們是如
何實現的。
3.1 建立調試關系
用gdb調試程序，可以直接gdb ./test,也可以gdb <pid>(test的進程號)。這對應著使用ptrace建立跟蹤關系的兩種方式:
1)fork: 利用fork+execve執行被測試的程序，子進程在執行execve之前調用ptrace(PTRACE_TRACEME)，建立了與父進程(debugger)的跟蹤關系。如我們在分析strace時所示意的程序。
2)attach:
debugger可以調用ptrace(PTRACE_ATTACH，pid,...)，建立自己與進程號為pid的進程間的跟蹤關系。即利用
PTRACE_ATTACH，使自己變成被調試程序的父進程(用ps可以看到)。用attach建立起來的跟蹤關系，可以調用ptrace
(PTRACE_DETACH，pid,...)來解除。注意attach進程時的權限問題，如一個非root權限的進程是不能attach到一個
root進程上的。
3.2 斷點原理
斷點是大家在調試程序時常用的一個功能,如break linenumber，當執行到linenumber那一行的時候被調試程序會停止，等待debugger的進一步操作。
斷點的實現原理，就是在指定的位置插入斷點指令，當被調試的程序運行到斷點的時候，產生SIGTRAP信號。該信號被gdb捕獲并進行斷點命中判定，當gdb判斷出這次SIGTRAP是斷點命中之后就會轉入等待用戶輸入進行下一步處理，否則繼續。
斷點的設置原理: 在程序中設置斷點，就是先將該位置的原來的指令保存，然后向該位置寫入int 3。當執行到int 3的時候，發生軟中斷，內核會給子進程發出SIGTRAP信號，當然這個信號會被轉發給父進程。然后用保存的指令替換int3,等待恢復運行。
斷點命中判定:gdb把所有的斷點位置都存放在一個鏈表中，命中判定即把被調試程序當前停止的位置和鏈表中的斷點位置進行比較，看是斷點產生的信號，還是無關信號。
3.3 單步跟蹤原理
單步跟蹤就是指在調試程序的時候，讓程序運行一條指令/語句后就停下。GDB中常用的命令有next, step, nexti, stepi。單步跟蹤又常分為語句單步(next, step)和指令單步(如nexti, stepi)。
在linux上，指令單步可以通過ptrace來實現。調用ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,pid,...)可以使被調試的進程在每執行完一條指令后就觸發一個SIGTRAP信號，讓GDB運行。下面來看一個例子:
child = fork();
if(child == 0) {
execl("./HelloWorld", "HelloWorld", NULL);
}
else {
ptrace(PTRACE_ATTACH,child,NULL,NULL);
while(1){
wait(&val);
if(WIFEXITED(val))
break;
count++;
ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,child,NULL,NULL);
}
printf("Total Instruction number= %d\n",count);
}
這
段程序比較簡單，子進程調用execve執行HelloWorld,而父進程則先調用ptrace(PTRACE_ATTACH,pid,...)建立與
子進程的跟蹤關系。然后調用ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, pid,
...)讓子進程一步一停，以統計子進程一共執行了多少條指令(你會發現一個簡單的HelloWorld實際上也執行了好幾萬條指令才完成)。當然你也完
全可以在這個時候查看EIP寄存器中存放的指令，或者某個變量的值，當然前提是你得知道這個變量在子進程內存鏡像中的位置。
指令單步可以依靠硬件
完成，如x86架構處理器支持單步模式(通過設置EFLAGS寄存器的TF標志實現)，每執行一條指令，就會產生一次異常(在Intel
80386以上的處理器上還提供了DRx調試寄存器以用于軟件調試)。也可以通過軟件完成，即在每條指令后面都插入一條斷點指令，這樣每執行一條指令都會
產生一次軟中斷。
語句單步基于指令單步實現，即GDB算好每條語句所對應的指令，從什么地方開始到什么地方結束。然后在結束的地方插入斷點，或者指令單步一步一步的走到結束點，再進行處理。
當
然gdb的實現遠比今天我們所說的內容要復雜，它能讓我們很容易的監測，修改被調試的進程，比如通過行號，函數名，變量名。而要真正實現這些，一是需要在
編譯的時候提供足夠的信息，如在gcc時加入-g選項，這樣gcc會把一些程序信息放到生成的ELF文件中，包括函數符號表，行號，變量信息，宏定義等，
以便日后gdb調試，當然生成的文件也會大一些。二是需要我們對ELF文件格式，進程的內存鏡像(布局)以及程序的指令碼十分熟悉。這樣才能保證在正確的
時機(斷點發生？單步？)找到正確的內存地址(代碼？數據？)并鏈接回正確的程序代碼(這是哪個變量？程序第幾行？)。感興趣的同學可以找到相應的代碼仔
細分析一下。
小結:
ptrace可以實時監測和修改另一個進程的運行，它是如此的強大以至于曾經因為它在unix-like平臺
(如Linux,
*BSD)上產生了各種漏洞。但換言之，只要我們能掌握它的使用，就能開發出很多以前在用戶態下不可能實現的應用。當然這可能需要我們掌握編譯，文件格
式，程序內存布局等相當多的底層知識。
最后讓我們來回顧一下ptrace的使用:
1)用PTRACE_ATTACH或者PTRACE_TRACEME 建立進程間的跟蹤關系。
2)PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA, PTRACE_PEEKUSR等讀取子進程內存/寄存器中保留的值。
3)PTRACE_POKETEXT, PTRACE_POKEDATA, PTRACE_POKEUSR等把值寫入到被跟蹤進程的內存/寄存器中。
4)用PTRACE_CONT，PTRACE_SYSCALL, PTRACE_SINGLESTEP控制被跟蹤進程以何種方式繼續運行。
5)PTRACE_DETACH, PTRACE_KILL 脫離進程間的跟蹤關系。
TIPS:
1. 進程狀態TASK_TRACED用以表示當前進程因為被父進程跟蹤而被系統停止。
2. 如在子進程結束前，父進程結束，則trace關系解除。
3. 利用attach建立起來的跟蹤關系，雖然ps看到雙方為父子關系，但在"子進程"中調用getppid()仍會返回原來的父進程id。
4. 不能attach到自己不能跟蹤的進程，如non-root進程跟蹤root進程。
5. 已經被trace的進程，不能再次被attach。
6. 即使是用PTRACE_TRACEME建立起來的跟蹤關系，也可以用DETACH的方式予以解除。
7. 因為進入/退出系統調用都會觸發一次SIGTRAP，所以通常的做法是在第一次(進入)的時候讀取系統調用的參數，在第二次(退出)的時候讀取系統調用的返回值。但注意execve是個例外。
8. 程序調試時的斷點由int 3設置完成，而單步跟蹤則可由ptrace(PTRACE_SINGLESTEP)實現。
Pthread 08/01/14
原文地址：http://blog.csdn.net/Javadino/archive/2008/09/06/2891434.aspx